암흑물질의 정체는 원시 블랙홀일까?

우주의 질량 대부분(85%)을 차지하는 암흑물질의 정체는 수수께끼다. 최근 논문에 따르면 우주가 태어난 직후 생겨난 원시 블랙홀 집단이다. 암흑물질이란 스스로 전자파를 방출하지도 남의 빛을 반사하지도 않는 미지의 물질이다. 이것이 존재하는 것은 분명하다. 은하를 이루는 별들의 회전속도에서 계산되는 질량은 은하 내의 별이나 성간물질을 합친 것보다 훨씬 더 크다. 또한 은하나 은하단의 중력은 그 주변을 지나가는 빛을 휘게 만드는데(중력 렌즈 효과) 이를 통해 계산된 질량은 실제 관측된 질량을 크게 넘어선다. 블랙홀이란 자체 중력이 너무나 강해서 어떤 입자나 복사파도 그로부터 빠져나올 수 없는 시공간의 영역을 의미한다. 일반상대성이론에 따르면 충분히 밀도가 높은 물체는 시공간을 왜곡해 블랙홀을 만들 수 있다. 올해 노벨 물리학상은 이런 사실을 수학적으로 증명한 영국의 로저 펜로즈에게 주어졌다. 나머지 공동 수상자 두 명은 우리 은하의 중심에 태양 질량 430만배 규모의 초대질량 블랙홀이 있다는 사실을 발견한 공로를 인정받았다.

별 규모의 블랙홀은 무거운 별이 타고 남은 잔해가 태양 질량의 3~4배가 되면 스스로 수축해서 만들어진다. 여기에 빨려 들어가는 외부 물질이 뿜어내는 입자나 빛, 다른 별이나 행성의 운동에 미치는 영향, 주변을 지나가는 광선이 휘는 렌즈 효과를 통해 간접적으로 관측할 수 있다.

원시 블랙홀이란 우주 탄생 직후인 138억년 전에 만들어진 것을 말한다. 기본 입자들이 뭉쳐 무거운 입자가 되면서 우주의 압력이 낮아졌고 이 덕분에 원시 블랙홀도 많이 생겨날 수 있었을 것이다. 시간이 흐르면서 주위의 블랙홀이나 물질을 흡수해 점점 커질 수 있다. 1970년대 스티븐 호킹이 존재를 추론했으나 아직 관측되지는 않고 있다.

여기에 대한 관심은 2015년 레이저 간섭계 중력파 관측소(Laser Interferometer Gravitational-Wave ObservatoryㆍLIGO)가 작동하면서 급증했다. 서로의 주위를 돌던 블랙홀들이 합쳐지는 현상이 속속 관측되기 시작한 것이다. 우주에 예상보다 훨씬 더 많은 블랙홀이 있다면 원시 블랙홀도 많이 존재할지 모른다. 이것이 수십년간 탐구해도 전혀 발견되지 않는 암흑물질의 정체일 수도 있다. 약한 상호작용을 하는 무거운 입자, 초대칭입자인 뉴트랄리노 등에 이어 후보군이 하나 늘어난 것이다.

하지만 2017년 여기에 찬물을 끼얹는 계산 결과가 나왔다. 초기 우주에 지금의 암흑물질을 설명할 만큼 많은 블랙홀이 있었다면 지금쯤 어떻게 됐을까. ‘대부분 서로 주위를 도는 쌍성이 됐다가 합쳐졌을 것이다. 그러면 라이고에서 실제 관측된 것보다 수천 배 많은 합체 현상이 일어났어야 한다.’

그러나 이런 난점은 극복이 가능하다. 지난 9월 ‘우주론과 천체입자물리학 저널’(Journal of Cosmology and Astroparticle Physics)에 실린 논문에 따르면 그렇다. 프랑스 몽펠리에대학의 카르스텐 제담지크가 발표했다. 태초 대량의 원시 블랙홀이 만들어졌지만 라이고의 관측과 일치하는 결과를 낳을 수도 있다. 이는 수치 시뮬레이션 결과다. 원시 블랙홀은 실제로 쌍성이 되겠지만 블랙홀이 넘쳐나는 우주에서는 세 번째 블랙홀이 다가와 둘 중 하나와 자리를 바꾸게 된다고 한다. 이렇게 파트너를 바꾸는 과정은 수없이 되풀이되고, 쌍성은 거의 원형 궤도를 돌게 된다. 원시 블랙홀이 엄청 많다고 할지라도 이것들이 합체하는 경우는 극히 드물 것이다.

그의 계산에 따르면 원시 블랙홀들은 2~3광년 정도의 지름을 가진 무리를 이루어 우주 도처에 자리잡고 있다. 태양 30배 질량의 괴물을 중심으로 이보다 작은 블랙홀 1000개 정도가 나머지 공간을 채우고 있을 터이다. 하지만 대부분의 물리학자는 암흑물질을 구성하는 것이 탐지가 극도로 어려운 모종의 기본 입자일 것이라고 믿고 있다. 결론은 관측이 말해 줄 것이다. 태양보다 작은 질량을 가진 블랙홀이 하나만 발견돼도 상황 전체가 달라질 것이다. 이런 물체는 원시 블랙홀 시나리오에 따르면 매우 흔할 것이고 별을 통해서는 만들어질 수 없기 때문이다. 2020년대 중반에 미항공우주국이 발사할 로만우주망원경에 대한 기대가 큰 또 하나의 이유다.